JP7843670B2 - 熱機関システム - Google Patents

熱機関システム

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Description

本開示は、熱機関システムに関する。
各種の液体状態、または気体状態の媒体が外部から投入されることによって、所定の機能を発揮する機関（設備、装置等）がある。このような機関に媒体を投入するに先立ち、媒体を相変化させることがある。例えば、固体状態の媒体を液化させた後に、機関に投入することがある。また、液体状態の媒体を気化させた後に、機関に投入することがある。
例えば、特許文献１には、液体状態の媒体を気化させた後に機関に投入するガスタービンプラントが記載されている。このガスタービンプラントは、ガスタービンと、加熱装置と、分解ガス圧縮機と、を備えている。ガスタービンは、燃料を燃焼させることで生成される排気ガスを排気している。加熱装置は、液化アンモニアを加熱することで生成されたアンモニアガスを加熱し、水素ガスと窒素ガスとを含む分解ガスを生成している。分解ガス圧縮機は、加熱装置からの分解ガスを、ガスタービンに投入可能な投入圧力以上に昇圧している。このガスタービンプラントでは、液体状態のアンモニアが、ガスタービンからの排気ガスを利用して気化されている。このように液体から気体に相変化されたアンモニアを燃料（投入媒体）として、水素ガスと窒素ガスとを含む分解ガスを生成し、ガスタービンに供給している。
特許第６７０７０１３号公報
しかしながら、特許文献１に記載された構成を始め、媒体を相変化させて用いる場合、媒体を相変化させる際に必要な熱を効果的に供給することが常に望まれている。一般に、気化や融解等のように、媒体をエンタルピーが高い相に相変化させる際には、単に温度を高める場合と比較して、非常に大きな熱が必要となる。従って、エンタルピーが高い相への相変化はエネルギー消費量の増大に繋がるため、効果的な熱供給が特に重要である。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、熱媒体を高エンタルピーの相から低エンタルピーの相に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体を低エンタルピーの相から高エンタルピーの相に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能な熱機関システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る熱機関システムは、ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、前記液体燃料供給部は、前記液体燃料の飽和温度が前記水分の露点未満となる範囲で、前記燃料加熱ラインに供給される前記液体燃料を圧縮する液体燃料圧縮部を備え、前記燃料加熱ラインと前記ガス燃料圧縮機とを接続し、前記燃料加熱ラインで前記液体燃料を気化して生成された前記ガス燃料を、前記ガス燃料圧縮機に供給するガス燃料供給ラインをさらに備える。
また、本開示に係る熱機関システムは、ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する。
また、本開示に係る熱機関システムは、ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱し、前記排熱回収ボイラは、低圧蒸発器と、高圧蒸発器とを備え、前記排熱回収ボイラ中の前記排気ガスが流れる方向で、下流から上流に向かって、前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器、の順序で配置され、前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器は、それぞれ、水を水蒸気にし、前記蒸発器は、前記排気ガスが流れる方向で、前記低圧蒸発器の下流に配置される。
本開示に係る熱機関システムは、投入対象機関に対して投入される前の投入媒体を加熱して相変化させる熱機関システムであって、前記投入対象機関から排出され、前記投入媒体よりも高温の熱媒体と前記投入媒体とを熱交換させることで、前記熱媒体の相変化及び前記投入媒体の相変化を生じさせる熱交換部と、前記熱交換部で相変化した前記投入媒体を圧縮して前記投入対象機関に供給する投入媒体圧縮部と、前記熱交換部に供給される前の液体の前記投入媒体を、前記投入媒体の飽和温度、または、擬臨界温度が、前記熱交換部に送り込まれる前記熱媒体が相変化する温度となる圧力よりも低い圧力まで前記投入媒体を圧縮する液体投入媒体圧縮部と、を備える。
本開示の熱機関システムによれば、媒体を相変化させる際に必要な熱を効果的に供給することが可能な熱機関システムを提供することができる。
本開示の第一実施形態に係る熱機関システムの構成を示す図である。 上記熱機関システムにおける、アンモニアの流れを機能的に示す図である。 上記熱基幹システムにおける、排気ガス、アンモニア、及び蒸気の温度と熱交換量との相関を示す図である。 本開示の第二実施形態に係る熱機関システムの構成を機能的に示す図である。
以下、添付図面を参照して、本開示による熱機関システムを実施するための形態を説明する。しかし、本開示はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
＜第一実施形態＞
（熱機関システムの構成）
熱機関システム１００は、投入対象機関に対して投入される前の投入媒体を加熱して相変化させる。第一実施形態における熱機関システム１００は、ガスタービン１１０の排気ガスＥＧで蒸気タービン１２０を駆動させつつ、ガスタービン１１０への投入媒体であるアンモニア（ＮＨ３）を排気ガスＥＧで加熱するコンバインドサイクルプラントである。図１に示すように、熱機関システム１００は、ガスタービン（熱機関、投入対象機関）１１０と、蒸気タービン１２０と、排熱回収ボイラ（熱交換部）１３０と、液体燃料供給部１４５と、ガス燃料圧縮機１４８と、を備えている。つまり、熱機関システム１００は、投入対象機関であるガスタービン１１０に対して投入される前の投入媒体である液体アンモニア（液体状態のアンモニア）ＦＬを加熱してアンモニアガス（気体状態のアンモニア）ＦＧへと相変化させている。
（ガスタービンの構成）
ガスタービン１１０は、ガス燃料であるアンモニアガスＦＧを燃料として駆動されて排気ガスＥＧを生成する。本実施形態の熱機関システム１００では、ガスタービン１１０から排出された排気ガスＥＧを、熱媒体として用いる。ガスタービン１１０は、空気圧縮機１１２と、燃焼器１１３と、タービン１１４と、を備えている。
空気圧縮機１１２は、外部から取り込んだ空気を圧縮する。燃焼器１１３は、空気圧縮機１１２で圧縮された空気中で、アンモニアガスＦＧを燃焼させて燃焼ガスを生成する。アンモニアガスＦＧは、後述するガス燃料圧縮機１４８で圧縮されて燃焼器１１３に供給される。
タービン１１４は、燃焼器１１３で生成された高温高圧の燃焼ガスにより駆動される。タービン１１４のタービンロータと空気圧縮機１１２の圧縮機ロータとは相互に連結されて、ガスタービンロータ１１５を構成している。ガスタービンロータ１１５には、例えば、発電機１１７が接続されている。タービン１１４から排気された排気ガスＥＧは、排熱回収ボイラ１３０に供給される。
（蒸気タービンの構成）
蒸気タービン１２０は、排熱回収ボイラ１３０で回収された排気ガスＥＧの排熱を利用して駆動される。具体的には、蒸気タービン１２０は、排熱回収ボイラ１３０により生成された蒸気によって駆動される。蒸気タービン１２０は、高圧蒸気タービン１２１、中圧蒸気タービン１２２、低圧蒸気タービン１２３、復水器１２５、及び給水ポンプ１２７を備えている。
高圧蒸気タービン１２１、中圧蒸気タービン１２２、及び低圧蒸気タービン１２３は、排熱回収ボイラ１３０の第一排熱回収ボイラ１３１で発生した蒸気を利用してそれぞれ駆動される。高圧蒸気タービン１２１のタービンロータ、中圧蒸気タービン１２２のタービンロータ、及び低圧蒸気タービン１２３のタービンロータは、相互に連結されて、一つの蒸気タービンロータ１２４を成している。この蒸気タービンロータ１２４は、発電機１２８に接続されている。
高圧蒸気タービン１２１は、後述の第一排熱回収ボイラ１３１の高圧過熱器１３８により過熱された蒸気によって駆動される。中圧蒸気タービン１２２は、高圧蒸気タービン１２１から排出された蒸気によって駆動される。低圧蒸気タービン１２３は、後述の低圧過熱器１３５により過熱された蒸気、及び中圧蒸気タービン１２２から排出された蒸気によって駆動される。
復水器１２５は、低圧蒸気タービン１２３から排出された蒸気を水に戻す。給水ポンプ１２７は、復水器１２５中の水を、後述の第一排熱回収ボイラ１３１に戻す。具体的には、給水ポンプ１２７は、復水器１２５中の水を後述の低圧節炭器１３２に戻す。
（排熱回収ボイラの構成）
排熱回収ボイラ１３０は、ガスタービン１１０から排出された排気ガスＥＧの排熱（熱エネルギー）を回収する。排熱回収ボイラ１３０は、第一排熱回収ボイラ１３１と、第二排熱回収ボイラ１４１と、を有している。
第一排熱回収ボイラ１３１は、ガスタービン１１０から排出された排気ガスＥＧの熱エネルギーを利用して、蒸気タービン１２０を駆動するための蒸気を生成する。第一排熱回収ボイラ１３１は、低圧節炭器（ＥＣＯ－ＬＰ）１３２、低圧蒸発器（ＥＶＡ－ＬＰ）１３３、高圧ポンプ１３４、低圧過熱器（ＳＨ－ＬＰ）１３５、高圧節炭器（ＥＣＯ－ＨＰ）１３６、高圧蒸発器（ＥＶＡ－ＨＰ）１３７、高圧過熱器（ＳＨ－ＨＰ）１３８を有している。なお、第一排熱回収ボイラ１３１の構成は、一例に過ぎず、適宜変更可能である。
ここで、第一排熱回収ボイラ１３１中の排気ガスＥＧが流れる方向で、ガスタービン１１０に近い側を上流側、その反対の第二排熱回収ボイラ１４１に近い側を下流側とする。第一排熱回収ボイラ１３１の内部には、下流から上流に向かって、低圧節炭器１３２、低圧蒸発器１３３、低圧過熱器１３５、高圧節炭器１３６、高圧蒸発器１３７、高圧過熱器１３８の順序で配置されている。
低圧節炭器１３２は、蒸気タービン１２０の復水器１２５から供給される水を加熱する。低圧蒸発器１３３は、低圧節炭器１３２で加熱された水を蒸気にする。この実施形態で例示する低圧蒸発器１３３は、上部にドラムが配置された自然循環ボイラである（以下、高圧蒸発器１３７も同様）。高圧ポンプ１３４は、低圧節炭器１３２で加熱された水を昇圧して高圧節炭器１３６に供給する。低圧過熱器１３５は、低圧蒸発器１３３で生成した蒸気を過熱する。低圧過熱器１３５により過熱された蒸気は、低圧蒸気タービン１２３に供給される。
高圧節炭器１３６は、高圧ポンプ１３４で昇圧された水を加熱する。高圧蒸発器１３７は、高圧節炭器１３６で加熱された水を加熱して蒸気にする。なお、高圧蒸発器１３７は、排熱回収ボイラ１３０が有する他の蒸発器、即ち、低圧蒸発器１３３よりも圧力の高い蒸発器である。つまり、高圧蒸発器１３７は、排熱回収ボイラ１３０において、最も圧力の高い蒸発器である。高圧過熱器１３８は、高圧蒸発器１３７で生成した蒸気を過熱する。高圧過熱器１３８により過熱された蒸気は、高圧蒸気タービン１２１に供給される。
第二排熱回収ボイラ１４１は、ガスタービン１１０から排出された排気ガスＥＧの熱エネルギーを利用して、ガスタービン１１０の燃料となるアンモニアガス（ガス燃料）ＦＧを生成する。第二排熱回収ボイラ１４１は、排気ガスＥＧの熱エネルギーを利用して、液体アンモニア（液体燃料、投入媒体）ＦＬを相変化させてアンモニアガスＦＧを生成する。第二排熱回収ボイラ１４１には、第一排熱回収ボイラ１３１で蒸気生成に利用された後の排気ガスＥＧが供給される。つまり、第二排熱回収ボイラ１４１では、第一排熱回収ボイラ１３１で蒸気生成に利用された後の温度の下がった排気ガスＥＧの熱エネルギーが利用される。
第二排熱回収ボイラ１４１は、燃料加熱ライン１４０と、予熱器１４２と、蒸発器（熱交換部）１４３と、過熱器１４４と、を有している。ここで、第二排熱回収ボイラ１４１中の排気ガスＥＧが流れる方向で、第一排熱回収ボイラ１３１に近い側を上流側、その反対の煙突１５０に近い側を下流側とする。第二排熱回収ボイラ１４１の内部には、下流から上流に向かって、予熱器１４２、蒸発器１４３、過熱器１４４の順序で配置されている。
燃料加熱ライン１４０は、排気ガスＥＧの排熱を回収し、排気ガスＥＧとの熱交換によって液体アンモニアＦＬを加熱することで、アンモニアガスＦＧを生成する。燃料加熱ライン１４０には、液体燃料供給部１４５から液体アンモニアＦＬが供給される。液体燃料供給部１４５は、液体燃料圧縮部１４６を備えている。液体燃料圧縮部１４６は、液体アンモニアタンク等の液体アンモニア供給源（図示せず）から供給される液体アンモニアＦＬを液体状態のまま圧縮する。本実施形態の液体燃料圧縮部１４６は、ポンプである。液体燃料圧縮部１４６は、後に詳述するように、液体アンモニアＦＬの飽和温度が、第二排熱回収ボイラ１４１に送り込まれる排気ガスＥＧに含まれる水分の露点未満となる範囲で、燃料加熱ライン１４０に供給される液体アンモニアＦＬを圧縮する。つまり、第二排熱回収ボイラ１４１に送り込まれる排気ガスＥＧに含まれる水分の露点温度をＴｅｇｄｐとすると、液体アンモニアＦＬの飽和温度がＴｅｇｄｐとなる圧力よりも低い圧力まで、液体燃料圧縮部１４６、即ちポンプは、液体アンモニアＦＬを圧縮する。
また、燃料加熱ライン１４０は、第二排熱回収ボイラ１４１において、第二排熱回収ボイラ１４１を通過する排気ガスＥＧの温度が、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域１４１ａとなる位置を通過するように配置されている。そのため、燃料加熱ライン１４０は、供給された液体アンモニアＦＬを、第一排熱回収ボイラ１３１で蒸気生成した後の排気ガスＥＧとの熱交換によって液体アンモニアＦＬを加熱する。燃料加熱ライン１４０は、排気ガスＥＧを利用して、液体アンモニアＦＬから生成したアンモニアガスＦＧをガス燃料圧縮機１４８に供給する。
予熱器１４２は、液体燃料圧縮部１４６で圧縮された液体アンモニアＦＬを、排気ガスＥＧの熱エネルギーを利用して加熱（予熱）する。予熱器１４２には、蒸発器１４３を経た排気ガスＥＧが供給されている。予熱器１４２は、排気ガスＥＧとの熱交換によって、液体アンモニアＦＬを液体状態のまま加熱する。つまり、予熱器１４２は、液体アンモニアＦＬを相変化させることなく加熱する。蒸発器１４３を経た排気ガスＥＧは、蒸発器１４３で液体アンモニアＦＬと熱交換することで温度低下している。本実施形態の予熱器１４２は、第二排熱回収ボイラ１４１において、最も温度の低い排気ガスＥＧが供給されている。
蒸発器１４３は、予熱器１４２で加熱された液体アンモニアＦＬを、排気ガスＥＧの熱エネルギーを利用して気化させ、アンモニアガスＦＧを生成する。蒸発器１４３は、液体アンモニアＦＬを相変化させてアンモニアガスＦＧを生成する。つまり、蒸発器１４３は、液体状態から気体状態へと液体燃料であるアンモニアを相変化させている。蒸発器１４３には、過熱器１４４を経た排気ガスＥＧが供給されている。蒸発器１４３は、液体アンモニアＦＬと排気ガスＥＧとを熱交換することによって、過熱器１４４を経た排気ガスＥＧに含まれる水分を凝縮させる。つまり、蒸発器１４３は、液体アンモニアＦＬよりも高温の排気ガスＥＧと、液体アンモニアＦＬとを熱交換させることで、排気ガスＥＧの相変化と、液体アンモニアＦＬの相変化と、を同時に生じさせる。蒸発器１４３は、第二排熱回収ボイラ１４１において、排気ガスＥＧの温度が露点以下領域１４１ａとなる位置に配置されている。本実施形態の第二排熱回収ボイラ１４１では、予熱器１４２及び蒸発器１４３のみが排気ガスＥＧの温度が露点以下領域１４１ａとなる位置に配置されている。
過熱器１４４は、蒸発器１４３に供給される排気ガスＥＧとの熱交換によって、蒸発器１４３で生成されたアンモニアガスＦＧの温度を上昇させる。過熱器１４４を経た排気ガスＥＧは、過熱器１４４でアンモニアガスＦＧと熱交換することで温度低下している。過熱器１４４は、ガスタービン１１０から排出されて第一排熱回収ボイラ１３１を経た排気ガスＥＧが、第二排熱回収ボイラ１４１において、一番初めに供給されている。つまり、本実施形態の過熱器１４４は、第二排熱回収ボイラ１４１において、最も温度の高い排気ガスＥＧが供給されている。過熱器１４４は、排気ガスＥＧの温度よりもわずかに低い温度（例えば、５℃から１５℃程度）までアンモニアガスＦＧを加熱する。過熱器１４４は、排気ガスＥＧとの熱交換によって、アンモニアガスＦＧを気体状態のまま加熱する。つまり、過熱器１４４は、アンモニアガスＦＧを相変化させることなく加熱する。
燃料加熱ライン１４０は、上述した予熱器１４２、蒸発器１４３、及び過熱器１４４の順にアンモニアを通過させている。燃料加熱ライン１４０で生成されたアンモニアガスＦＧは、ガス燃料供給ライン１４７を介して、ガス燃料圧縮機（投入媒体圧縮部）１４８に供給される。ガス燃料圧縮機１４８は、燃料加熱ライン１４０で生成されたアンモニアガスＦＧを圧縮し、ガスタービン１１０に供給する。つまり、ガス燃料圧縮機１４８は、第二排熱回収ボイラ１４１を経て、ガスタービン１１０に供給される直前のアンモニアガスＦＧを昇圧している。ガス燃料圧縮機１４８は、アンモニアガスＦＧを気体状態のまま燃焼器１１３への投入圧力まで昇圧する。ガス燃料圧縮機１４８で昇圧されたアンモニアガスＦＧは、他の装置を経由することなく、燃焼器１１３へ直接供給される。
図２及び図３に示すように、排気ガスＥＧは、第一排熱回収ボイラ１３１で水との熱交換によって蒸気を生成する。蒸気生成する過程で、排気ガスＥＧの温度は、次第に低下していく（図３における点Ｐ１０→点Ｐ１１）。復水器１２５から給水ポンプ１２７を経て第一排熱回収ボイラ１３１に供給される水は、第一排熱回収ボイラ１３１での排気ガスＥＧとの熱交換により、加熱されて蒸気となる。その結果、水（蒸気）の温度は、排気ガスＥＧの温度とは逆に、次第に上昇していく（図３における点Ｐ２０→点Ｐ２１、実際には水の蒸発が発生する等、より複雑である。ここでは簡略化し、点Ｐ２０と点Ｐ２１を直線（破線）で接続して示す）。第一排熱回収ボイラ１３１で温度低下した排気ガスＥＧは、第二排熱回収ボイラ１４１に供給される。
排気ガスＥＧは、第二排熱回収ボイラ１４１で、過熱器１４４、蒸発器１４３、予熱器１４２を順次通過していく。その際、液体アンモニアＦＬ又はアンモニアガスＦＧとの熱交換によって、排気ガスＥＧの温度は、さらに低下していく（図３における点Ｐ１１→点Ｐ１２→点Ｐ１３→点Ｐ１４）。第二排熱回収ボイラ１４１を経た排気ガスＥＧは、煙突１５０から大気中に排出される。
液体アンモニアＦＬは、液体アンモニア供給源から燃料加熱ライン１４０へ供給される間に、液体燃料圧縮部１４６で圧縮される（図３における点Ｐ１まで）。液体アンモニアＦＬは、液体燃料圧縮部１４６により、液体アンモニアＦＬの飽和温度が、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ（図３参照）未満となる範囲で圧縮される。
圧縮された液体アンモニアＦＬは、燃料加熱ライン１４０に供給される。液体アンモニアＦＬは、燃料加熱ライン１４０では、まず、予熱器１４２を通過し、排気ガスＥＧとの熱交換によって加熱されて、液体状態のまま昇温される（図３における点Ｐ１→点Ｐ２）。加熱後の液体アンモニアＦＬの温度（図３における点Ｐ２）は、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒよりも、予め設定された温度差だけ低い温度とされている。一方、排気ガスＥＧは、第一排熱回収ボイラ１３１、過熱器１４４、及び蒸発器１４３を経ることで、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ以下の温度（図３における点Ｐ１３）まで低下している。排気ガスＥＧは、予熱器１４２で、液体アンモニアＦＬとの熱交換により、より低い温度（図３における点Ｐ１４）まで低下する。
予熱器１４２で加熱された液体アンモニアＦＬは、蒸発器１４３で、排気ガスＥＧとの熱交換によりさらに加熱される。蒸発器１４３は、ガス化されるまで液体アンモニアＦＬを加熱し、アンモニアガスＦＧを生成している（図３における点Ｐ２→点Ｐ３）。つまり、蒸発器１４３は、液体アンモニアＦＬを気体へと相変化させてアンモニアガスＦＧを生成している。一方で、排気ガスＥＧは、蒸発器１４３に供給された時点では、第一排熱回収ボイラ１３１及び過熱器１４４を経ることで温度が低下しているものの、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒよりも高い温度となっている（図３における点Ｐ１２）。その後、排気ガスＥＧは、蒸発器１４３で、液体アンモニアＦＬと熱交換することにより、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒまで温度が低下する。その結果、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮する（図３における点Ｐ１２→点Ｐｒ→点Ｐ１３）。
蒸発器１４３で生成されたアンモニアガスＦＧは、過熱器１４４における排気ガスＥＧとの熱交換により、さらに加熱される。（図３における点Ｐ３→点Ｐ４）。過熱器１４４では、アンモニアガスＦＧは気体状態のまま相変化することなく加熱される。過熱器１４４を経ることで、アンモニアガスＦＧの温度（図３における点Ｐ４）は排気ガスＥＧの温度（図３における点Ｐ１１）よりもわずかに低い温度となっている。一方、排気ガスＥＧは、過熱器１４４でのアンモニアガスＦＧとの熱交換により、温度が低下する（図３における点Ｐ１１→点Ｐ１２）。過熱器１４４から排出されて蒸発器１４３に供給される排気ガスＥＧの温度（点Ｐ１２）は、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒよりも高くなっている。
過熱器１４４を経たアンモニアガスＦＧは、ガス燃料供給ライン１４７を経て、ガス燃料圧縮機１４８へと送られる。ガス燃料圧縮機１４８で、アンモニアガスＦＧは、燃焼器１１３への投入圧力まで昇圧される。その後、ガス燃料圧縮機１４８で昇圧されたアンモニアガスＦＧは、他の装置を経由することなく、ガスタービン１１０へと供給される。ガスタービン１１０では、供給されたアンモニアガスＦＧを燃料として駆動されて排気ガスＥＧを生成する。その後、排気ガスＥＧは、第一排熱回収ボイラ１３１に供給される。
（作用効果）
上記構成の熱機関システム１００では、ガスタービン１１０は、アンモニアガスＦＧによって駆動されることで、排気ガスＥＧを生成する。ガスタービン１１０で生成された排気ガスＥＧは、第一排熱回収ボイラ１３１に供給される。第一排熱回収ボイラ１３１では、排気ガスＥＧの熱エネルギーを利用して、水から蒸気を生成する。蒸気の生成に利用された排気ガスＥＧは、温度が低下した状態で、第二排熱回収ボイラ１４１に供給される。また、液体燃料供給部１４５から燃料加熱ライン１４０に液体アンモニアＦＬが供給される。第二排熱回収ボイラ１４１では、液体燃料供給部１４５から供給された液体アンモニアＦＬと排気ガスＥＧとの熱交換により、液体アンモニアＦＬを加熱する。第二排熱回収ボイラ１４１は、液体アンモニアＦＬを加熱して相変化させ、アンモニアガスＦＧを生成する。第二排熱回収ボイラ１４１で生成されたアンモニアガスＦＧは、燃料加熱ライン１４０からガス燃料圧縮機１４８に供給される。ガス燃料圧縮機１４８は、アンモニアガスＦＧを圧縮し、ガスタービン１１０に供給する。また、燃料加熱ライン１４０は、第二排熱回収ボイラ１４１を通過する排気ガスＥＧの温度が排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ以下となる温度領域である露点以下領域１４１ａに配置されている。このため、燃料加熱ライン１４０において、排気ガスＥＧとの熱交換によって液体アンモニアＦＬを加熱する際、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮するときの熱エネルギーである潜熱を利用することができる。このように、液体アンモニアＦＬを加熱して相変化させ、アンモニアガスＦＧを生成する際に、通常の熱交換で利用される排気ガスＥＧの顕熱だけでなく、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが可能となる。これにより、排気ガスＥＧの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。したがって、従来、排気ガスＥＧと共に捨てられることが多かった、排気ガスＥＧ中の水分を相変化させる際に発生する大量の熱を有効に活用して、液体アンモニアＦＬを相変化させるのに必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。即ち、熱媒体である排気ガスＥＧ中の水分を高エンタルピーの相（気体）から低エンタルピーの相（液体）に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体である液体アンモニアＦＬを低エンタルピーの相（液体）から高エンタルピーの相（気体）に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。
また、熱機関システム１００では、液体燃料圧縮部１４６によって、燃料加熱ライン１４０に供給される前の液体アンモニアＦＬが、液体アンモニアＦＬの飽和温度を、排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ未満となる範囲で圧縮される。したがって、燃料加熱ライン１４０で液体アンモニアＦＬからアンモニアガスＦＧが生成される際に、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが妨げられない。その結果、排気ガスＥＧ中の水分を凝縮させつつ、排気ガスＥＧと液体アンモニアＦＬを熱交換させ、液体アンモニアＦＬを気化させることができる。従って、排気ガスＥＧ中の水分が凝縮する際に発生する潜熱を使って液体アンモニアＦＬを気化するのに必要な大量の熱を供給することができる。さらに、液体アンモニアＦＬが昇圧されていることで、燃料加熱ライン１４０からガス燃料圧縮機１４８に供給されるアンモニアガスＦＧも昇圧された状態となっている。そのため、燃焼器１１３への投入圧力までアンモニアガスＦＧを昇圧させるためのガス燃料圧縮機１４８の動力を低減することができる。これにより、ガス燃料圧縮機１４８の設置コストを抑えることができる。
また、熱機関システム１００では、蒸発器１４３は、液体アンモニアＦＬと排気ガスＥＧとを熱交換している。これにより、液体アンモニアＦＬは気化してアンモニアガスＦＧとなる。同時に、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮する。このように、燃料加熱ライン１４０が蒸発器１４３を利用することで、排気ガスＥＧに含まれる水分の潜熱を利用して液体アンモニアＦＬからアンモニアガスＦＧを生成する構造を容易に設置できる。
また、熱機関システム１００では、予熱器１４２は、蒸発器１４３で液体アンモニアＦＬと熱交換することで温度が低下した排気ガスＥＧとの熱交換によって、液体アンモニアＦＬを液体状態のまま加熱する。これにより、アンモニアガスＦＧを生成するために液体アンモニアＦＬと熱交換した排気ガスＥＧの熱エネルギーをさらに利用することができる。また、予熱器１４２で液体アンモニアＦＬの温度が上昇することで、蒸発器１４３で液体アンモニアＦＬを気化させるために必要な熱エネルギーが少なくなる。したがって、液体アンモニアＦＬを相変化させる際の熱交換効率を更に高めることができる。
また、熱機関システム１００では、過熱器１４４は、蒸発器１４３に供給される前の排気ガスＥＧとの熱交換によって、蒸発器１４３で生成されたアンモニアガスＦＧの温度をさらに上昇させている。これにより、蒸発器１４３に供給される前の排気ガスＥＧから、熱エネルギーを得て、蒸発器１４３で生成されたアンモニアガスＦＧの温度を上昇させることができる。過熱器１４４でアンモニアガスＦＧとの熱交換を行うことにより、蒸発器１４３に供給される排気ガスＥＧの温度が低下する。そのため、蒸発器１４３に供給される排気ガスＥＧの温度が過度に高くなり過ぎることを抑え、排気ガスＥＧの温度が排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ以下となる温度領域である露点以下領域１４１ａを、第二排熱回収ボイラ１４１内で実現しやすくなる。さらに、燃料加熱ライン１４０からガス燃料圧縮機１４８に供給されるアンモニアガスＦＧの温度が高くなっている。そのため、ガス燃料圧縮機１４８の出口、即ち、燃焼器１１３の入口におけるアンモニアガスＦＧの温度も高くなる。従って、燃焼器１１３に投入されるアンモニアガスＦＧの保有熱量が増大し、燃料であるアンモニアガスＦＧの消費量を削減することができる。従って、熱機関システム１００の効率を高めることができる。
また、熱機関システム１００では、ガスタービン１１０であるガスタービン１１０から排出される排気ガスＥＧの排熱を利用し、第一排熱回収ボイラ１３１で蒸気タービン１２０を駆動するための蒸気を相変化により生成している。その後、燃料加熱ライン１４０では、第一排熱回収ボイラ１３１で蒸気の生成に利用されて温度の低下した排気ガスＥＧの排熱を利用し、アンモニアガスＦＧを生成している。このように排気ガスＥＧの熱エネルギーを蒸気及びアンモニアガスＦＧの生成に利用することで、排気ガスＥＧの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。
（第一実施形態の変形例）
なお、上記第一実施形態において、液体アンモニアＦＬを気化させる燃料加熱ライン１４０は、第一排熱回収ボイラ１３１よりも排気ガスＥＧの流れ方向の下流側に配置された第二排熱回収ボイラ１４１のみに配置されていた。しかしながら、燃料加熱ライン１４０の構成はこのような形態に限定されるものではない。例えば、排気ガスＥＧの温度が排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ以下となる温度領域である露点以下領域が第一排熱回収ボイラ１３１内に配置されているのであれば、燃料加熱ライン１４０は、第一排熱回収ボイラ１３１内を通過するように配置されてもよい。その際には、例えば、低圧節炭器１３２を二つに分けて、その間に液体アンモニアＦＬを気化させる装置を別途配置させてもよい。
また、上記第一実施形態において、燃料加熱ライン１４０は、液体アンモニアＦＬと排気ガスＥＧを直接熱交換させていた。しかしながら、燃料加熱ライン１４０の構成はこのような形態に限定されるものではない。例えば、排気ガスＥＧによって加熱された中間熱輸送媒体を用いて液体アンモニアＦＬを加熱、気化させても良い。中間熱輸送媒体としては、例えば、水、各種油、各種アルコール、等を用いることができる。
また、上記第一実施形態において、アンモニアガスＦＧによって駆動されて排気ガスＥＧを生成する熱機関として、ガスタービン１１０を例示したが、ガスタービン１１０以外の装置を採用してもよい。アンモニアガスＦＧによって駆動されて排気ガスＥＧを生成する熱機関としては、例えば、レシプロエンジンや燃料電池等が挙げられる。
また、上記第一実施形態において、液体燃料として液体アンモニアＦＬ、ガス燃料としてアンモニアガスＦＧを例示したが、これ以外の流体を採用してもよい。相変化する液体燃料及びガス燃料としては、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等を採用してもよい。
＜第二実施形態＞
次に、本開示に係る熱機関システムの第二実施形態について説明する。なお、以下に説明する第二実施形態においては、上記第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
図４に示すように、第二実施形態の熱機関システム２００は、アンモニア（ＮＨ３）と二酸化炭素（ＣＯ２）とを化学反応により合成し、尿素（ＮＨ２ＣＯＮＨ２）を生成する尿素合成プラントである。熱機関システム２００は、尿素合成設備２１０と、第一熱交換部（熱交換部）２４３と、第二熱交換部２４５と、第一圧縮部２４７と、第二圧縮部２４８と、ガス圧縮部（投入媒体圧縮部）２４９と、を備えている。つまり、熱機関システム２００は、投入対象機関である尿素合成設備２１０に対して投入される前の投入媒体である液体アンモニア（液体状態のアンモニア）ＦＬを加熱してアンモニアガス（気体状態のアンモニア）ＦＧへと相変化させている。
尿素合成設備２１０は、下式（１）に示すように、投入媒体であるアンモニアガス（気体状態のアンモニア）ＦＧと、二酸化炭素ガスＣＧとを化学反応により合成し、液体状態の尿素（ＮＨ２ＣＯＮＨ２）Ｍを生成する。
２ＮＨ３＋ＣＯ２→ＮＨ２ＣＯＮＨ２＋Ｈ２Ｏ …（１）
本実施形態の熱機関システム２００では、上式（１）により、尿素合成設備２１０で生成された液体状態の尿素Ｍを、熱媒体として用いる。液体状態の尿素Ｍは、合成反応前のアンモニアガスＦＧ及び二酸化炭素ガスＣＧよりも高温である。
第一熱交換部２４３及び第二熱交換部２４５は、尿素合成設備２１０で生成された液体状態の尿素Ｍの排熱（熱エネルギー）を回収する。第一熱交換部２４３は、尿素合成設備２１０から排出され、液体アンモニアＦＬよりも高温の液体状態の尿素Ｍと、液体アンモニアＦＬとを熱交換させる。第一熱交換部２４３は、液体状態の尿素Ｍと液体アンモニアＦＬとの熱交換により、液体状態の尿素Ｍの相変化及び液体アンモニアＦＬの相変化を生じさせる。すなわち、第一熱交換部２４３において、液体アンモニアＦＬは、相変化して気化し、アンモニアガスＦＧが生成される。一方、第一熱交換部２４３において、液体状態の尿素Ｍは、相変化して凝固し、固体状態の尿素が生成される。第一熱交換部２４３は、生成したアンモニアガスＦＧをガス圧縮部２４９に供給する。
第一圧縮部２４７は、第一熱交換部２４３に供給される前の液体アンモニアＦＬを圧縮する。第一圧縮部２４７は、液体アンモニアタンク等の液体アンモニア供給源（図示せず）から供給される液体アンモニアＦＬを液体状態のまま圧縮する。本実施形態の第一圧縮部２４７は、ポンプである。第一圧縮部２４７は、液体アンモニアＦＬの飽和温度が、第一熱交換部２４３に送り込まれる液体状態の尿素Ｍの凝固点（例えば１３３～１３５℃）以下となる範囲で、第一熱交換部２４３に供給される液体アンモニアＦＬを圧縮する。つまり、第一熱交換部２４３に送り込まれる尿素Ｍの凝固点をＴｍｓとすると、液体アンモニアＦＬの飽和温度がＴｍｓとなる圧力よりも低い圧力まで、第一圧縮部２４７、即ちポンプは、液体アンモニアＦＬを圧縮する。
ガス圧縮部２４９は、第一熱交換部２４３で液体状態から気体状態へと相変化したアンモニアガスＦＧを圧縮して尿素合成設備２１０に供給する。つまり、ガス圧縮部２４９は、第一熱交換部２４３を経て、尿素合成設備２１０に供給される直前のアンモニアガスＦＧを昇圧している。ガス圧縮部２４９は、アンモニアガスＦＧを気体状態のまま尿素合成設備２１０への投入圧力まで昇圧する。ガス圧縮部２４９で昇圧されたアンモニアガスＦＧは、他の装置を経由することなく、尿素合成設備２１０へ直接供給される。
一方、尿素合成設備２１０に供給される液体二酸化炭素ＣＬは、第二熱交換部２４５から供給される。第二熱交換部２４５は、尿素合成設備２１０から排出され、液体二酸化炭素ＣＬよりも高温の液体状態の尿素Ｍと、液体二酸化炭素ＣＬとを熱交換させる。第二熱交換部２４５は、液体二酸化炭素ＣＬと液体状態の尿素Ｍとの熱交換により、液体状態の尿素Ｍの相変化及び液体二酸化炭素ＣＬの相変化を生じさせる。すなわち、第二熱交換部２４５において、液体二酸化炭素ＣＬは、相変化して気化し、二酸化炭素ガスＣＧが生成される。一方、第二熱交換部２４５において、液体状態の尿素Ｍは、相変化して凝固し、固体状態の尿素が生成される。
第二圧縮部２４８は、第二熱交換部２４５に供給される前の液体二酸化炭素ＣＬを圧縮する。第二圧縮部２４８は、液体に炭化炭素タンク等の液体二酸化炭素供給源（図示せず）から供給される液体二酸化炭素ＣＬを液体状態のまま圧縮する。本実施形態の第二圧縮部２４８は、ポンプである。第二圧縮部２４８は、液体二酸化炭素ＣＬの飽和温度が、第二熱交換部２４５に送り込まれる液体状態の尿素Ｍの凝固点（例えば１３３～１３５℃）以下となる範囲で、第二熱交換部２４５に供給される液体アンモニアＦＬを圧縮する。つまり、第二熱交換部２４５に送り込まれる尿素Ｍの凝固点をＴｍｓ２とすると、液体二酸化炭素ＣＬの擬臨界温度がＴｍｓ２となる圧力よりも低い圧力まで、第二圧縮部２４８、即ちポンプは、液体アンモニアＦＬを圧縮する。
（作用効果）
上述したような熱機関システム２００によれば、第一圧縮部２４７で圧縮された液体アンモニアＦＬは、第一熱交換部２４３において、尿素合成設備２１０から排出された液体状態の尿素Ｍとの熱交換により、相変化（気化）する。また、液体状態の尿素Ｍは、液体アンモニアＦＬとの熱交換により、相変化（凝固）する。ガス圧縮部２４９は、第一熱交換部２４３で相変化して生成されたアンモニアガスＦＧを圧縮し、尿素合成設備２１０に投入する。このため、液体状態の尿素Ｍとの熱交換によって液体アンモニアＦＬを加熱、気化する際、液体状態の尿素Ｍが凝固するときの熱エネルギーである凝固熱を利用することができる。このように、液体状態の尿素Ｍが相変化する際の凝固熱を利用して液体アンモニアＦＬを相変化させることで、液体状態の尿素Ｍの熱エネルギーを潜熱も含めて余すことなく効果的に利用できる。したがって、熱媒体である液体状態の尿素Ｍを高エンタルピーの相（液体）から低エンタルピーの相（固体）に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体である液体アンモニアＦＬを低エンタルピーの相（液体）から高エンタルピーの相（気体）に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。
（その他の実施形態）
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、本実施形態における投入媒体はアンモニアに限定されるものではない、投入媒体は、熱機関を駆動させるガス燃料のように投入対象機関に投入される媒体であればよい。つまり、投入媒体は、アンモニア以外の物質であってもよい。同様に、熱媒体は、排気ガスＥＧや尿素であることに限定されるものではない。投入対象機関から排出され、投入媒体よりも高温の媒体であればよい。つまり、熱媒体は、排気ガスＥＧや尿素以外の物質であってもよい。
また、上記実施形態における投入媒体の「相変化」の一形態である「気化」には、
１）臨界圧未満（亜臨界圧）の圧力で、飽和温度の投入媒体を加熱する場合、
２）臨界圧で、臨界温度以下の投入媒体を加熱し、臨界温度以上とする場合、
３）超臨界圧の圧力下で、擬臨界温度以下の投入媒体を、擬臨界温度以上に加熱する場合、を含む。上記（３）の、超臨界圧の圧力下で投入媒体を加熱する場合における、擬臨界温度とは、定圧比熱が極大となる温度である。
具体的に、加熱される投入媒体（例えば、液体アンモニア）の圧力が臨界圧である場合、臨界圧において定圧比熱が極大となる温度、すなわち臨界温度（定圧比熱極大温度）以下の温度の投入媒体を、臨界温度以上の温度に加熱する。加熱される投入媒体の圧力が臨界圧よりも高い場合、加熱される投入媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち擬臨界温度（定圧比熱極大温度）以下の温度の投入媒体を擬臨界温度以上の温度に加熱する。加熱される投入媒体の圧力が臨界圧よりも低い場合、投入媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち飽和温度（定圧比熱極大温度）以下の温度の投入媒体を飽和温度以上の温度に加熱する。よって、投入媒体を気化させることで生成されるガス（例えば、アンモニアガス）とは、臨界圧において、臨界温度以下の温度の投入媒体が臨界温度以上の温度になった流体、又は、超臨界圧において、擬臨界温度以下の温度の投入媒体が擬臨界温度以上の温度になった流体、亜臨界圧において、飽和温度以下の温度の投入媒体が飽和温度以上の温度になった流体を含んでいる。
また、上記実施形態における熱媒体の「相変化」の一形態である「凝縮」には、
１）臨界圧未満（亜臨界圧）の圧力で、飽和温度の投入媒体を冷却する場合、
２）臨界圧で、臨界温度以上の投入媒体を冷却し、臨界温度以下とする場合、
３）超臨界圧の圧力下で、擬臨界温度以上の投入媒体を、擬臨界温度以下に冷却する場合、を含む。上記（３）の、超臨界圧の圧力下で投入媒体を加熱する場合における、擬臨界温度とは、定圧比熱が極大となる温度である。
具体的に、冷却される熱媒体（例えば、気体アンモニア）の圧力が臨界圧である場合、臨界圧において定圧比熱が極大となる温度、すなわち臨界温度（定圧比熱極大温度）以上の温度の熱媒体を、臨界温度以下の温度に冷却する。冷却される熱媒体の圧力が臨界圧よりも高い場合、冷却される熱媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち擬臨界温度（定圧比熱極大温度）以上の温度の熱媒体を擬臨界温度以下の温度に冷却する。冷却される熱媒体の圧力が臨界圧よりも低い場合、熱媒体の圧力において定圧比熱が極大となる温度、すなわち飽和温度（定圧比熱極大温度）以上の温度の熱媒体を飽和温度以下の温度に冷却する。よって、熱媒体を凝縮させることで生成される液（例えば、液体アンモニア）とは、臨界圧において、臨界温度以上の温度の熱媒体が臨界温度以下の温度になった流体、又は、超臨界圧において、擬臨界温度以上の温度の熱媒体が擬臨界温度以下の温度になった流体、亜臨界圧において、飽和温度以上の温度の熱媒体が飽和温度以下の温度になった流体を含んでいる。
＜付記＞
各実施形態に記載の熱機関システム１００は、例えば以下のように把握される。
（１）第１の態様に係る熱機関システム１００は、ガス燃料ＦＧによって駆動されて排気ガスＥＧを生成する熱機関１１０と、前記排気ガスＥＧとの熱交換によって液体燃料ＦＬを加熱することで、前記ガス燃料ＦＧを生成する燃料加熱ライン１４０を有し、前記排気ガスＥＧの排熱を回収する排熱回収ボイラ１４１と、前記燃料加熱ライン１４０に前記液体燃料ＦＬを供給する液体燃料供給部１４５と、前記燃料加熱ライン１４０で生成された前記ガス燃料ＦＧを圧縮して前記熱機関１１０に供給するガス燃料圧縮機１４８と、を備え、前記燃料加熱ライン１４０の少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラ１４１において、前記排熱回収ボイラ１４１を通過する前記排気ガスＥＧの温度が前記排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ以下となる温度領域である露点以下領域に配置されている。
熱機関１１０の例としては、ガスタービン、レシプロエンジン、燃料電池が挙げられる。
ガス燃料ＦＧ、液体燃料ＦＬの例としては、アンモニア、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルが挙げられる。
これにより、燃料加熱ライン１４０は、排熱回収ボイラ１４１を通過する排気ガスＥＧの温度が排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ以下となる温度領域である露点以下領域１４１ａに配置されている。このため、燃料加熱ライン１４０において、排気ガスＥＧとの熱交換によって液体燃料ＦＬを加熱する際、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮するときの熱エネルギーである潜熱を利用することができる。このように、液体燃料ＦＬを加熱して相変化させ、ガス燃料ＦＧを生成する際に、通常の熱交換で利用される排気ガスＥＧの顕熱だけでなく、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが可能となる。これにより、排気ガスＥＧの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。即ち、熱媒体である排気ガスＥＧ中の水分を高エンタルピーの相（気体）から低エンタルピーの相（液体）に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体である液体アンモニアＦＬを低エンタルピーの相（液体）から高エンタルピーの相（気体）に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能な熱機関システム１００を提供することができる。
（２）第２の態様に係る熱機関システム１００は、（１）の熱機関システム１００であって、前記液体燃料供給部１４５は、前記液体燃料ＦＬの飽和温度が前記水分の露点Ｐｒ未満となる範囲で、前記燃料加熱ライン１４０に供給される前記液体燃料ＦＬを圧縮する液体燃料圧縮部１４６を備える。
したがって、燃料加熱ライン１４０で液体燃料ＦＬからガス燃料ＦＧが生成される際に、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮する際の潜熱を利用することが妨げられない。その結果、排気ガスＥＧ中の水分を凝縮させつつ、排気ガスＥＧと液体アンモニアＦＬを熱交換させ、液体アンモニアＦＬを気化させることができる。従って、排気ガスＥＧ中の水分が凝縮する際に発生する潜熱を使って液体アンモニアＦＬを気化するのに必要な大量の熱を供給することができる。さらに、液体燃料ＦＬが昇圧されていることで、燃料加熱ライン１４０からガス燃料圧縮機１４８に供給されるガス燃料ＦＧも昇圧された状態となっている。そのため、ガスタービン１１０への投入圧力までガス燃料ＦＧを昇圧させるためのガス燃料圧縮機１４８の動力を低減することができる。これにより、ガス燃料圧縮機１４８の設置コストを抑えることができる。
（３）第３の態様に係る熱機関システム１００は、（１）又は（２）の熱機関システム１００であって、前記排熱回収ボイラ１４１は、前記排気ガスＥＧとの熱交換することによって、前記液体燃料ＦＬを気化させて前記ガス燃料ＦＧを生成するとともに、前記排気ガスＥＧに含まれる水分を凝縮させる蒸発器１４３を有し、前記燃料加熱ライン１４０は、前記蒸発器１４３で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料ＦＧを生成する。
これにより、蒸発器１４３によって、液体燃料ＦＬは気化してガス燃料ＦＧとなる。同時に、蒸発器１４３によって、排気ガスＥＧに含まれる水分が凝縮する。このように、燃料加熱ライン１４０が蒸発器１４３を利用することで、排気ガスＥＧに含まれる水分の潜熱を利用して液体燃料ＦＬからガス燃料ＦＧを生成する構造を容易に設置できる。
（４）第４の態様に係る熱機関システム１００は、（３）の熱機関システム１００であって、前記排熱回収ボイラ１４１は、前記蒸発器１４３で前記液体燃料ＦＬと熱交換することで温度低下した前記排気ガスＥＧとの熱交換によって、前記液体燃料ＦＬを液体状態のまま加熱する予熱器１４２を有し、前記燃料加熱ライン１４０は、前記蒸発器１４３で加熱する前の前記液体燃料を前記予熱器１４２で加熱する。
これにより、ガス燃料ＦＧを生成するために液体燃料ＦＬと熱交換した排気ガスＥＧの熱エネルギーをさらに利用することができる。また、予熱器１４２で液体燃料ＦＬの温度が上昇することで、蒸発器１４３で液体燃料ＦＬを気化させるために必要な熱エネルギーが少なくなる。したがって、液体燃料ＦＬを相変化させる際の熱交換効率を更に高めることができる。
（５）第５の態様に係る熱機関システム１００は、（３）又は（４）の熱機関システム１００であって、前記排熱回収ボイラ１４１は、前記蒸発器１４３に供給される前記排気ガスＥＧとの熱交換によって、前記ガス燃料ＦＧの温度を上昇させる過熱器１４４を有し、前記燃料加熱ライン１４０は、前記蒸発器１４３で生成された前記ガス燃料を前記過熱器１４４で加熱する。
これにより、蒸発器１４３に供給される前の排気ガスＥＧから、熱エネルギーを得て、蒸発器１４３で生成されたガス燃料ＦＧの温度を上昇させることができる。過熱器１４４でガス燃料ＦＧとの熱交換を行うことにより、蒸発器１４３に供給される排気ガスＥＧの温度が低下する。そのため、蒸発器１４３に供給される排気ガスＥＧの温度が過度に高くなり過ぎることを抑え、排気ガスＥＧの温度が排気ガスＥＧに含まれる水分の露点Ｐｒ以下となる温度領域である露点以下領域１４１ａを、排熱回収ボイラ１４１内で実現しやすくなる。さらに、燃料加熱ライン１４０からガス燃料圧縮機１４８に供給されるガス燃料ＦＧの温度が高くなっている。そのため、ガス燃料圧縮機１４８出口、即ち、燃焼器１１３入口におけるアンモニアガスＦＧの温度も高くなる。従って、燃焼器１１３に投入されるアンモニアガスＦＧの保有熱量が増大し、燃料であるアンモニアガスＦＧの消費量を削減することができる。従って、熱機関システム１００の効率を高めることができる。
（６）第６の態様に係る熱機関システム１００は、（１）から（５）の何れか一つの熱機関システム１００であって、前記熱機関１１０はガスタービン１１０であり、前記排熱回収ボイラ１４１で回収された排熱により生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン１２０を更に備え、前記燃料加熱ライン１４０は、前記蒸気を生成した後の前記排気ガスＥＧとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する。
これにより、蒸気の生成に利用されて温度の低下した排気ガスＥＧの排熱を利用し、ガス燃料ＦＧを生成している。このように排気ガスＥＧの熱エネルギーを蒸気及びガス燃料ＦＧの生成に利用することで、排気ガスＥＧの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。
（７）第７の態様に係る熱機関システム１００は、投入対象機関１１０、２１０に対して投入される前の投入媒体ＦＬを加熱して相変化させる熱機関システム１００、２００であって、前記投入対象機関１１０、２１０から排出され、前記投入媒体ＦＬよりも高温の熱媒体ＥＧ、Ｍと前記投入媒体ＦＬとを熱交換させることで、前記熱媒体ＥＧ、Ｍの相変化及び前記投入媒体ＦＬの相変化を生じさせる熱交換部１４３、２４３と、前記熱交換部１４３、２４３で相変化した前記投入媒体ＦＬを圧縮して前記投入対象機関１１０、２１０に供給する投入媒体圧縮部１４８、２４９と、を備える。
これにより、熱媒体ＥＧ、Ｍを相変化させるときの熱エネルギーを利用して投入媒体ＦＬを相変化させることで、熱媒体ＥＧ、Ｍの熱エネルギーを余すことなく効果的に利用できる。したがって、熱媒体ＥＧ、Ｍを高エンタルピーの相から低エンタルピーの相に相変化させる際の排熱を有効に用いて、投入媒体ＦＬを低エンタルピーの相から高エンタルピーの相に相変化させる際に必要な大量の熱を効果的に供給することが可能となる。
投入媒体は、アンモニア、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルが挙げられる。
熱媒体は、排気ガスに含まれる水分、尿素が挙げられる。
投入対象機関は、ガスタービン、レシプロエンジン、燃料電池、化学反応による合成設備が挙げられる。
１００…熱機関システム
１１０…ガスタービン（熱機関、投入対象機関）
１１２…空気圧縮機
１１３…燃焼器
１１４…タービン
１１５…ガスタービンロータ
１１７…発電機
１２０…蒸気タービン
１２１…高圧蒸気タービン
１２２…中圧蒸気タービン
１２３…低圧蒸気タービン
１２４…蒸気タービンロータ
１２５…復水器
１２７…給水ポンプ
１２８…発電機
１３０…排熱回収ボイラ（熱交換部）
１３１…第一排熱回収ボイラ
１３２…低圧節炭器
１３３…低圧蒸発器
１３４…高圧ポンプ
１３５…低圧過熱器
１３６…高圧節炭器
１３７…高圧蒸発器
１３８…高圧過熱器
１４０…燃料加熱ライン
１４１…第二排熱回収ボイラ
１４１ａ…露点以下領域
１４２…予熱器
１４３…蒸発器（熱交換部）
１４４…過熱器
１４５…液体燃料供給部
１４６…液体燃料圧縮部
１４７…ガス燃料供給ライン
１４８…ガス燃料圧縮機（投入媒体圧縮部）
１５０…煙突
２００…熱機関システム
２１０…投入対象機関
２４３…第一熱交換部（熱交換部）
２４５…第二熱交換部
２４７…第一圧縮部
２４８…第二圧縮部
２４９…ガス圧縮部（投入媒体圧縮部）
ＣＧ…二酸化炭素ガス
ＣＬ…液体二酸化炭素
ＥＧ…排気ガス（熱媒体）
ＦＧ…アンモニアガス（ガス燃料）
ＦＬ…液体アンモニア（液体燃料、投入媒体）
Ｍ…尿素
Ｐｒ…露点

Claims (13)

  1. ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、
    前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、
    前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
    前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、
    前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、
    前記液体燃料供給部は、前記液体燃料の飽和温度が前記水分の露点未満となる範囲で、前記燃料加熱ラインに供給される前記液体燃料を圧縮する液体燃料圧縮部を備え、
    前記燃料加熱ラインと前記ガス燃料圧縮機とを接続し、前記燃料加熱ラインで前記液体燃料を気化して生成された前記ガス燃料を、前記ガス燃料圧縮機に供給するガス燃料供給ラインをさらに備える、熱機関システム。
  2. 前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、
    前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成する請求項１に記載の熱機関システム。
  3. 前記排熱回収ボイラは、前記蒸発器で前記液体燃料と熱交換することで温度低下した前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を液体状態のまま加熱する予熱器を有し、
    前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で加熱する前の前記液体燃料を前記予熱器で加熱する請求項２に記載の熱機関システム。
  4. 前記排熱回収ボイラは、前記蒸発器に供給される前記排気ガスとの熱交換によって、前記ガス燃料の温度を上昇させる過熱器を有し、
    前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で生成された前記ガス燃料を前記過熱器で加熱する請求項２又は３に記載の熱機関システム。
  5. 前記熱機関はガスタービンであり、
    前記排熱回収ボイラで回収された排熱により生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンを更に備え、
    前記燃料加熱ラインは、前記蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する請求項１に記載の熱機関システム。
  6. 投入対象機関に対して投入される前の投入媒体を加熱して相変化させる熱機関システムであって、
    前記投入対象機関から排出され、前記投入媒体よりも高温の熱媒体と前記投入媒体とを熱交換させることで、前記熱媒体の相変化及び前記投入媒体の相変化を生じさせる熱交換部と、
    前記熱交換部で相変化した前記投入媒体を圧縮して前記投入対象機関に供給する投入媒体圧縮部と、
    前記熱交換部に供給される前の液体の前記投入媒体を、前記投入媒体の飽和温度、または、擬臨界温度が、前記熱交換部に送り込まれる前記熱媒体が相変化する温度となる圧力よりも低い圧力まで前記投入媒体を圧縮する液体投入媒体圧縮部と、を備える熱機関システム。
  7. ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、
    前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
    前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、
    前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、
    前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、
    前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、
    前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱する、熱機関システム。
  8. 前記液体燃料は、水よりも沸点が低い、
    請求項７に記載の熱機関システム。
  9. 前記液体燃料は、アンモニア、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルのいずれかである、
    請求項８に記載の熱機関システム。
  10. ガス燃料によって駆動されて排気ガスを生成する熱機関と、
    前記排気ガスとの熱交換によって液体燃料を加熱することで、前記ガス燃料を生成する燃料加熱ラインを有し、前記排気ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラと、前記燃料加熱ラインに前記液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
    前記燃料加熱ラインで生成された前記ガス燃料を圧縮して前記熱機関に供給するガス燃料圧縮機と、を備え、
    前記燃料加熱ラインの少なくとも一部は、前記排熱回収ボイラにおいて、前記排熱回収ボイラを通過する前記排気ガスの温度が前記排気ガスに含まれる水分の露点以下となる温度領域である露点以下領域に配置され、
    前記排熱回収ボイラは、前記排気ガスとの熱交換によって、前記液体燃料を気化させて前記ガス燃料を生成するとともに、前記排気ガスに含まれる前記水分を凝縮させる蒸発器を有し、
    前記燃料加熱ラインは、前記蒸発器で前記液体燃料を加熱して前記ガス燃料を生成し、前記排熱回収ボイラで回収された排熱により水蒸気を生成し、
    前記燃料加熱ラインは、前記水蒸気を生成した後の前記排気ガスとの熱交換によって前記液体燃料を加熱し、
    前記排熱回収ボイラは、低圧蒸発器と、高圧蒸発器とを備え、
    前記排熱回収ボイラ中の前記排気ガスが流れる方向で、下流から上流に向かって、前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器、の順序で配置され、
    前記低圧蒸発器、前記高圧蒸発器は、それぞれ、水を水蒸気にし、
    前記蒸発器は、前記排気ガスが流れる方向で、前記低圧蒸発器の下流に配置される、熱機関システム。
  11. 前記排熱回収ボイラは、水を加熱する低圧節炭器を更に備え、
    前記低圧蒸発器は、前記低圧節炭器で加熱された水を水蒸気にし、
    前記排気ガスが流れる方向で、下流から上流に向かって、前記低圧節炭器、前記低圧蒸発器、の順序で配置され、
    前記蒸発器は、前記排気ガスが流れる方向で、前記低圧節炭器の下流に配置される、
    請求項１０に記載の熱機関システム。
  12. 前記液体燃料は、水よりも沸点が低い、
    請求項１０または１１に記載の熱機関システム。
  13. 前記液体燃料は、アンモニア、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルのいずれかである、
    請求項１２に記載の熱機関システム。
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